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Por favor, use este identificador para citar o enlazar este ítem: http://rid.unrn.edu.ar/handle/20.500.12049/9050

Título: Modelado y simulación de flujo en la zona no saturada y transporte de solutos en medios porosos
Autor(es): Laco Mazzone, Fiorella
Director: García Martínez, Pablo
Fecha de publicación: 7-may-2021
Citación: Laco Mazzone, F. (2021). Modelado y simulación de flujo en la zona no saturada y transporte de solutos en medios porosos. Tesis de grado. Universidad Nacional de Río Negro.
Abstract: Recently, interest in soil's unsaturated zone has signi cantly increased since it was realized that the subsurface environment can be severely damaged by human activities. For this reason, several models and codes have been developed in recent years in order to study di erent processes of relevance in this topic. A considerable number of those are based on Richard's equation, which describes the evolution of the water content and the pressure head, under capillary and gravitational forces in porous media. In this context, this work considers two case studies of interest in Environmental Engineering: rstly, we study the water movement and solute transport in soils, focusing speci cally in those associated with mallines patag onicos and, secondly, we performed the hydrological characterization of Municipal Solid Waste Land lls (MSWL), considering several designs for the top and basal barriers. First, we introduced the mathematical formulation and the numerical methods to describe ow in unsaturated porous media, as well as those associated with solute transport in soils. During this stage, we developed and implemented several routines which allowed us to solve the resulting di erential problems of interest parametrically while invoking HYDRUS-1D code as the core solver. With this tool, we studied di erent water ow and solute transport regimes associated with the central and peripheral zones of a mall n located in the vicinity of San Carlos de Bariloche. We determined soil's hydraulic properties in steppe wetlands through the use of pedotransfer functions implemented on the Rosetta code. The input data required for this code arises from the textural classes of the soil's horizons, which we determined with the hydrometer method. By simulating a families of periodic regimes, we were able to calibrate the most sensitive parameters of the model. We also studied the transient evolution of the water content based on the daily precipitation database for the Tte. Luis Candelaria airport for the period of 1990-2014. Lastly, we simulated solute transport for two di erent hydrological regimes.The results obtained for the water movement analysis in mallines were adequate for the peripheral zone, when the hydraulic parameters obtained from the Rosetta code were considered. However, this procedure did not yield good results in the central zone. In this case, we parameterized the retention curve in terms of the two most sensitive parameters and analysed the system's response to these parameters. These parameterscontrol the position and height of the retention curve. We found that it is possible to adjust these parameters using the annual average values of the minimum water table and the saturation period of the mall n. Regarding the solute transport simulations, we observed that the hydrological regime signi cantly a ects the solute redistribution. Finally, we used the HELP code to perform the hydrological characterization of top and basal barriers of MSWL. In this case, we studied the theoretical framework related to the water balance of MSWL.We proposed several designs for the top an basal barriers and estimated the percolation, drainage and leak uxes through each layer. The proposed designs were applied to a MSWL sized to provide the nal disposal of MSW for the Municipalities of San Carlos de Bariloche and Dina Huapi during the period of 2021-2030. We evaluated the performance of the proposed systems, estimated the drainage owrates and checked which designs satis ed the maximum limits of leachate losses established by international regulations.
Resumen: Recientemente, el interés por la zona no saturada del suelo se incrementó significativamente desde que se tomó conciencia que el ambiente subsuperficial puede verse severamente perjudicado por las actividades antrópicas. Debido a esto, un gran número de modelos y códigos han sido desarrollados en los últimos a ̃nos para estudiar distintos procesos relevantes a esta temática. Muchos de ellos se basan en la ecuación de Richards que describe la evolución del contenido de agua y el potencial matricial, bajo la acción capilar y gravitatoria en medios porosos. En este trabajo, se consideraron dos problemas de interés en Ingeniería Ambiental: por un lado, se estudió el movimiento de agua y transporte de solutos en el suelo, particularmente se analizaron suelos de mallines patagónicos y, en por otro lado, se realizó la caracterización hidrológica de rellenos sanitarios, proponiendo varios diseños para la cobertura superior y la barrera basal. En primer lugar, se abordó la formulación matemática y los métodos numéricos para describir el flujo en medios porosos no saturados, como así también aquellos asociados al transporte de solutos en el suelo. Durante esta etapa, desarrollamos e implementamos una serie de rutinas en que permiten resolver los problemas diferenciales resultantes de interés en forma paramétrica invocando al código HYDRUS-1D como solver principal. Con esa herramienta se estudiaron distintos regímenes de flujo de agua y transporte de solutos asociados a las zonas central y periférica de un mallín cercano a la ciudad de San Carlos de Bariloche. Para ello, determinamos las propiedades hidráulicas del suelo en mallines de estepa a través de funciones de pedotransferencia implementadas en el código Rosetta. Los datos de entrada necesarios para dicho código surgen de las clases texturales de los horizontes del suelo, que determinamos mediante el método del densímetro. Con las propiedades hidráulicas y el forzado atmosférico como datos de entrada, se analizaron distintos regímenes de flujo periódico que permitieron calibrar los parámetros más sensibles del modelo. También se estudió la evolución transitoria basada en los registros de precipitación diaria del aeropuerto Tte. Luis Candelaria durante el período 1990-2014. Por último, se simuló el transporte de solutos para distintos regímenes hídricos. Los resultados obtenidos para el análisis de flujo de agua en mallines fueron satisfactorios para la zona periférica del mallín utilizando los parámetros hidráulicos obtenidos mediante la caracterización de las texturas del perfil del suelo y el código Rosetta. Sin embargo, este procedimiento no arrojó buenos resultados en la zona central. En este caso, efectuamos una parametrización de la curva de retención en términos de los dos parámetros más sensibles y con mayor grado de incertidumbre, y analizamos la respuesta del sistema en función de ellos. Con esta metodología fue posible ajustar estos parámetros a partir de los promedios anuales del nivel freático mínimo y del período de saturación del mallín. En el caso del problema transitorio, identificamos la relevancia de un parámetro adicional que caracteriza la capacidad de acumulación de agua en la región central del mallín. En cuanto a las simulaciones de transporte de solutos, observamos que el régimen hídrico afecta significativamente la redistribución del compuesto. Finalmente, realizamos la caracterización hidrológica de barreras basales y coberturas superiores de rellenos sanitarios, mediante el código HELP. En este caso, analizamos el balance hidrológico en rellenos sanitarios y, particularmente, su representación mediante el modelo HELP. Propusimos diversos diseños de coberturas superiores y barreras basales con el fin de calcular los caudales de percolación, drenaje y pérdida de lixiviados a través de cada una de ellas. Los diseños propuestos fueron aplicados a un relleno sanitario dimensionado para proveer de servicio de disposición final de RSU a los Municipios de San Carlos de Bariloche y Dina Huapi para el per ́ıodo 2021-2030. A partir de las simulaciones realizadas pudimos evaluar el desempeño de los sistemas propuestos, estimar los caudales de drenaje y determinar cuáles diseños cumplían los límites de pérdida de lixiviados establecidos por las normativas internacionales.
URI: http://rid.unrn.edu.ar/handle/20.500.12049/9050
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